Załącznik nr 2: AUTOREFERAT Warszawa, 06.04.2018
1. Imię i Nazwisko Marcin Tomasz Żugaj 2. Posiadane dyplomy, stopnie naukowe 1) Stopień doktora nauk technicznych w zakresie automatyki i robotyki nadany uchwałą Rady Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej w roku 2006. Tytuł rozprawy doktorskiej Rekonfiguracja układu sterowania samolotu w locie autonomicznym. Promotor przewodu doktorskiego: prof. dr hab. inż. Janusz Narkiewicz. 2) Tytuł magistra inżyniera uzyskany na kierunku Mechanika i Budowa Maszyn w zakresie Lotnictwa na Wydziale Mechanicznym Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej w roku 2002. Tytuł pracy dyplomowej Modelowanie i badanie systemu ruchu symulatora lotu. Promotor pracy dyplomowej: mgr inż. Janusz Gajda. 3. Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych 1) 2007 - obecnie, adiunkt w Zakładzie Automatyki i Osprzętu Lotniczego Instytutu Techniki Lotniczej i Mechaniki Stosowanej Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej. 2) 2006-2007, asystent w Zakładzie Automatyki i Osprzętu Lotniczego Instytutu Techniki Lotniczej i Mechaniki Stosowanej Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej. 4. Wskazanie osiągnięcia wynikającego z art. 16 ust. 2 ustawy z dnia 14 marca 2013 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz stopniach i tytule w zakresie sztuki 4.1. Wstęp W swojej pracy naukowo-badawczej zajmowałem się zagadnieniami związanymi z dynamiką, nawigacją oraz sterowaniem obiektów ruchomych. Prowadzone przeze mnie badania miały charakter interdyscyplinarny i obejmowały takie dziedziny nauki jak: dynamika, aerodynamika oraz teoria sterowania. Ich głównym celem było opracowanie modeli fizycznych, matematycznych i symulacyjnych, analiza właściwości dynamicznych oraz opracowanie i rozwój metod i algorytmów automatycznego sterowania i nawigacji. W swojej pracy zajmowałem się przede wszystkim statkami powietrznymi o nietypowych i nowatorskich konfiguracjach płatowców w tym nietypowych konfiguracjach systemu sterowania. Moim głównym osiągnięciem naukowym, uzyskanym po otrzymaniu stopnia doktora nauk technicznych, zgodnie z art. 16 ust. 2 ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. 2016r. poz. 882. ze zm. w Dz. U. z 2016 r. poz. 1311) jest zbiór piętnastu powiązanych tematycznie publikacji oraz współudział w opracowaniu dwóch symulatorów badawczych zbudowanych w Zakładzie Automatyki i Osprzętu Lotniczego (ZAiOL) Instytutu Techniki Lotniczej i Mechaniki Stosowanej Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej, które wspólnie można zatytułować jako: Dynamika i sterowanie statków powietrznych o nieklasycznej konfiguracji systemu sterowania. - 3 -
Zbiór publikacji oraz oryginalne osiągnięcia projektowe stanowiące wskazane osiągnięcie naukowe zostały dobrane w taki sposób, aby prezentowały złożony, wieloetapowy i interdyscyplinarny charakter badań dotyczących dynamiki i sterowania statków powietrznych, które ze względu na nietypową konfigurację wymagają niekonwencjonalnego podejścia do zagadnień analizy właściwości dynamicznych oraz opracowania innowacyjnych metod i algorytmów sterowania. Takie podejście umożliwia prezentację wszystkich etapów przeprowadzonych badań począwszy od budowy modelu dynamiki statku powietrznego i analizy jego właściwości dynamicznych, poprzez opracowanie metod i algorytmów sterowania, które spełniają określone kryteria przy jednoczesnym uwzględnieniu inherentnych cech dynamicznych sterowanego obiektu, a skończywszy na wykonaniu symulatorów lotu, które umożliwiają badanie opracowanych komponentów systemu automatycznego sterowania, badania interakcji człowiek-maszyna oraz szkolenie pilotów i operatorów. Zbiór publikacji powiązanych tematycznie 1. Żugaj M., Bibik P., Jacewicz M.: UAV Aircraft Model for Control System Failures Analysis, Journal of Theoretical and Applied Mechanics, Vol 54, No 4, str. 1405-1415, Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej, Warsaw 2016. ISSN 1429-2955. IF 0.683, punktacja MNiSW (lista A) 15, udział 50%. 2. Żugaj M., Bibik P., Figat M.: An Unmanned Aircraft Model for Control System Reconfiguration Analysis and Synthesis, Transaction of the Institute of Aviation, No. 2(247), str. 97-116, Wydawnictwa Naukowe Instytutu Lotnictwa, Warszawa 2017. ISSN 0509-6669. Punktacja MNiSW za rok 2016 (lista B) 9, udział 50%. 3. Żugaj M., Narkiewicz J.: Autopilot for Reconfigurable Flight Control System, Journal of Aerospace Engineering, Vol 22, No 1, str. 78-84, January 2009, American Society of Civil Engineers, Reston. ISSN 0893-1321. IF 0.714, punktacja MNiSW (lista A) 24, udział 50%. 4. Żugaj M., Narkiewicz J.: Wpływ awarii układu sterowania na właściwości pilotażowe samolotu, Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej, Mechanika, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, zeszyt 71, str.179-186, Rzeszów 2007. ISBN 0209-2689. Udział 50%. 5. Żugaj M., Godłoża D.: Analiza właściwości dynamicznych samolotu bezzałogowego w stanie awarii systemu sterowania, Mechanika w Lotnictwie ML-XVII 2016, tom II, str. 275-286, Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej, Warszawa 2016, ISBN 978-83-932107-8-7. Udział 80%. 6. Żugaj M., Narkiewicz J.: Autopilot Supported by Nonlinear Model Following Reconfigurable Flight Control System, Journal of Aerospace Engineering, Vol 23, No 4, str. 339-347, October 2010, American Society of Civil Engineers, Reston. ISSN 0893-1321. IF 0.420, punktacja MNiSW (lista A) 32, udział 50%. 7. Żugaj M.: Reconfiguration of Fixed-Wing UAV Control System in Autonomous Flight. 22nd International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics (MMAR), 28-31 August 2017, Międzyzdroje, str.1063-1068, IEEE Xplore Digital - 4 -
Library. Electronic ISBN 978-1-5386-2402-9, DOI: 10.1109/MMAR.2017.8046977. Punktacja MNiSW 15, udział 100%. 8. Żugaj M.: UAV Control System Reconfiguration Under Physical Constrains, rozdział w monografii pt. Advances in Aerospace Guidance, Navigation and Control, pod redakcją Dołęga B., Głębocki R., Kordos D. i Żugaj M., Springer Nature, Cham, 2018, str. 241-257, ISBN 978-3-319-65282-5, DOI 10.1007/978-3-319-65283-2. Udział 100%. 9. Żugaj M.: Reconfiguration of Unmanned Aircraft Control System, Transaction of the Institute of Aviation, No. 2(247), str. 80-96, Wydawnictwa Naukowe Instytutu Lotnictwa, Warszawa 2017. ISSN 0509-6669. Punktacja MNiSW za rok 2016 (lista B) 9, udział 100%. 10. Żugaj M., Bibik P., Józefowicz K.: Thrust Pulse Control for UAV Control System Reconfiguration, 21st International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics (MMAR), 21 August - 1 September 2016, Międzyzdroje, str.708-713, IEEE Xplore Digital Library. Electronic ISBN 978-1-5090-1866-6, DOI: 10.1109/MMAR.2016.7575223. Punktacja MNiSW 15, udział 50%. 11. Żugaj M., Narkiewicz J.: Comprehensive Model of Flying Wing Flight Dynamics and Control, CEAS European Air and Space Conference, 26-29 October 2009, Manchester, UK, str.1-9. Udział 50%. 12. Żugaj M.: Autonomiczna stabilizacja lotu samolotu o konfiguracji nieklasycznej, Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej, Mechanika, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, tom XXX, zeszyt 85, str. 337-346, Rzeszów 2013. ISSN 0209-2689. Punktacja MNiSW (lista B) 4, udział 100%. 13. Bibik P., Zasuwa M., Żugaj M.: Research and Training Simulator of Unmanned Quadrotor, 18th International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics (MMAR), 26-29 August 2013, Międzyzdroje, str. 403-407, IEEE Xplore Digital Library. Electronic ISBN 978-1-4673-5506-3, DOI 10.1109/MMAR.2013. 6669942. Punktacja MNiSW 15, udział 33%. 14. Bibik P., Narkiewicz J., Zasuwa M., Żugaj M., Górski T., Komorniczak W.: Development of an Unmanned Quadrotor: System and Simulator, 40th European Rotorcraft Forum, 2-5 September 2014 Southampton, UK, str. 1-6. Udział 20%. 15. Bibik P., Narkiewicz J., Zasuwa M., Żugaj M.: Quadrotor Dynamics and Control for Precise Handling, Innovative Simulation Systems, Studies in Systems, Decision and Control, pod redakcją Nawrat A. i Jędrasiak K., Vol. 33, str. 335-352, Springer, Londyn, 2016. ISSN 2198-4182, ISBN 978-3-319-21118-3. Udział 25% Zbiór oryginalnych osiągnięć projektowych Op1. Bibik P., Świętoń G., Zasuwa M., Żugaj M.: Symulator badawczy małego samolotu bezzałogowego. Udział 25%. - 5 -
Op2. Bibik P., Narkiewicz J., Zasuwa M., Żugaj M.: Symulator małego bezpilotowego wiropłata. Udział 25%. 4.2. Omówienie celu naukowego i osiągniętych wyników 4.2.1. Cel naukowy prowadzonych badań Systemy automatycznego sterowania występują w wielu dziedzinach techniki i umożliwiają realizację zaplanowanych zadań oraz poprawę właściwości i bezpieczeństwa maszyn, w tym obiektów ruchomych. Dzięki nowoczesnym technikom i algorytmom możliwe jest sterowanie obiektami, które z natury są niestabilne, trudno sterowalne lub mogą się takimi stać na skutek zmiany warunków pracy bądź awarii. Jednym z ważniejszych etapów projektowania systemu automatycznego sterowania jest opracowanie modelu matematycznego opisującego dynamikę sterowanego obiektu sterowania. Model wykorzystywany jest do definiowania charakterystyk dynamicznych obiektu sterowania oraz wyznaczania parametrów, optymalizacji i walidacji algorytmów sterowania. Ponadto model umożliwia symulację ruchu obiektu, która może zostać wykorzystana do przeprowadzenia testów gotowego systemu sterowania techniką hardware-inthe-loop, badań interakcji operatora z systemem oraz szkolenia operatorów. Niewątpliwą zaletą stosowania modelu symulacyjnego jest możliwość przeprowadzenia badań dla stanów pracy lub konfiguracji obiektu sterowania, które są trudne do uzyskania w trakcie badań doświadczalnych ze względów ekonomicznych lub bezpieczeństwa. Od wielu lat w różnych ośrodkach badawczych na całym świecie prowadzone są badania dotyczące budowy, bezpieczeństwa i eksploatacji statków powietrznych zarówno załogowych jak i bezzałogowych, cywilnych i wojskowych, wiropłatów i stałopłatów. Celem prowadzonych badań jest poprawa bezpieczeństwa i obniżenie kosztów wykonywania operacji lotniczych. Jeden z kierunków tych badań dotyczy optymalizacji aktualnie stosowanych oraz rozwoju nowych konfiguracji płatowców. Badania te mają charakter interdyscyplinarny, gdyż obejmują między innymi zagadnienia z takich dziedzin jak: dynamika lotu, mechanika płynów, termodynamika oraz teoria sterowania. W trakcie badań analizowane są między innymi możliwości wdrożenia nowych konfiguracji płatowców oraz systemów sterowania, które umożliwią efektywne wykorzystanie właściwości nowych konstrukcji lotniczych i poprawią ich niezawodność. W swojej pracy naukowo-badawczej prowadziłem badania, realizowane między innymi w ramach czterech projektów badawczych zarówno krajowych jak i zagranicznych [P2,P4,P7, P8], które dotyczyły dynamiki i sterowania trzech statków powietrznych różniących się budową, konfiguracją płatowców i właściwościami oraz celem i zakresem sformułowanego zagadnienia badawczego. Były to dwie nieklasyczne konstrukcje takie jak samolot o konfiguracji latającego skrzydła i wiropłat wielowirnikowy typu quadrotor oraz samolot o konfiguracji klasycznej z rekonfigurowanym systemem sterowania. W swojej pracy najwięcej czasu poświęciłem badaniom związanym z rekonfiguracją systemu sterowania samolotu o konfiguracji klasycznej. Zagadnieniem tym zainteresowałem się przed doktoratem i było ono przedmiotem mojej rozprawy doktorskiej. Po uzyskaniu stopnia doktora kontynuowałem badania w tej dziedzinie rozszerzając zakres prac oraz rozwijając opracowane metody rekonfiguracji i poszerzając obszary ich zastosowania. Rekonfiguracja systemu sterowania jest jedną z metod poprawy bezpieczeństwa statku powietrznego. W przypadku - 6 -
wystąpienia awarii zadaniem rekonfiguracji nie jest przywrócenie pełnej funkcjonalności systemu sterowania, ale zapewnienie takiego sterowania, które umożliwi bezpieczne kontynuowanie lotu i lądowanie. Rekonfiguracja jest szczególnie ważna w przypadku samolotów bezzałogowych, gdyż nie wpływa na wzrost masy, gabarytów i złożoności systemu, a tym samym nie powoduje obniżenia walorów użytkowych całego samolotu. Rekonfiguracja realizowana jest przez algorytmy numeryczne, których zadaniem jest wykorzystanie sprawnych elementów systemu sterowania do kompensacji skutków awarii, co wiąże się z nietypowym wykorzystaniem powierzchni sterowych. Dlatego zagadnienie rekonfiguracji systemu sterowania samolotu można przedstawić jako zagadnienie sterowania samolotem o nieklasycznej konfiguracji systemu sterowania. Samolot o konfiguracji latającego skrzydła jest przedmiotem badań prowadzonych w wielu ośrodkach badawczych na całym świecie. Konfiguracja ta znana jest już od lat czterdziestych ubiegłego wieku, jednak w ostatnim czasie wzrosło zainteresowanie budową długodystansowych samolotów komunikacyjnych w tej właśnie konfiguracji. Samoloty tego typu mogą mieć kształt skrzydła bez wyraźnie zarysowanej bryły kadłuba (ang. flying-wing) lub bryła kadłuba może być wkomponowana w bryłę płata (ang. blended body, blended wing). W większości przypadków samoloty te nie posiadają klasycznego usterzenia ogonowego, czyli budowane są w konfiguracji bezogonowca, a do sterowania wykorzystuje się klapy umieszczone na krawędzi spływu płata i kadłuba. Taka konfiguracja wymusza zmianę koncepcji sterowania samolotem, gdyż samolot nie posiada jednoznacznie wyodrębnionych sterów, odpowiedzialnych za realizację sterowania w danej płaszczyźnie sterowania. Ponadto samoloty te są z natury niestateczne statycznie i dynamicznie, a przemieszczenie środka masy dodatkowo pogarsza ich właściwości dynamiczne. Quadrotor jest jedną z nowych konfiguracji wiropłatów wielowirnikowych, którą opracowano głównie z myślą o wykorzystaniu w systemach bezzałogowych. Jest to wiropłat wyposażony w cztery wirniki nośne o stałym skoku łopat, które wykorzystywane są zarówno do wytworzenia siły nośnej jak i sterowania. Taka konfiguracja sprawia, że ten statek powietrzny jest niestateczny oraz wymaga niekonwencjonalnej metody sterowania. Ponadto w przeciwieństwie do stałopłatów siły i momenty sterujące są bardzo wrażliwe na aktualny stan lotu quadrotora. Zasadniczym celem moich badań było opracowanie metod i algorytmów sterowania, które uwzględnią inherentne właściwości dynamiczne wymienionych konstrukcji lotniczych oraz umożliwią poprawę ich właściwości pilotażowych i bezpieczeństwa lotu. Realizacja tak sformułowanego celu wymagała wyodrębnienia następujących zadań badawczych: opracowanie fizycznych, matematycznych i symulacyjnych modeli dynamiki badanych statków powietrznych; badanie i analiza właściwości dynamicznych ze szczególnym uwzględnieniem osobliwych cech badanych statków powietrznych; opracowanie oraz badanie metod i algorytmów sterowania przeznaczonych dla statków powietrznych o nieklasycznej konfiguracji systemów sterowania; implementacja opracowanych modeli symulacyjnych w symulatorach lotu. Budowa modeli dynamiki badanego statku powietrznego jest pierwszym etapem badań związanych z dynamiką i sterowaniem obiektów latających. Dlatego też jednym z ważniejszych elementów moich badań było opracowanie lub udział w opracowaniu fizycznych i matematycznych modeli ruchu badanych statków powietrznych [1,2,11,13,Op1]. Budowanie - 7 -
modeli jest procesem złożonym, wymagającym uwzględnienia wielu czynników, które mają wpływ na prawidłowe odwzorowanie właściwości modelowanego obiektu. Dodatkowo w dynamice statków powietrznych o nietypowych konfiguracjach płatowców pojawiają się elementy lub czynnik, które nie występują w konfiguracjach klasycznych. W przypadku samolotów o konfiguracji latającego skrzydła oraz samolotu z rozprzężonymi powierzchniami sterowymi takimi nowymi elementami były obciążenia aerodynamiczne generowane przez nieklasyczny układ powierzchni sterowych [1,2,11]. W przypadku wiropłata wielowirnikowego były to z kolei obciążenia aerodynamiczne od szybkoobrotowych wirników nośnych [13]. Powszechna wiedza na temat modelowania tych elementów jest dość ograniczona i nieusystematyzowana. W związku z tym konieczne było przeprowadzenie szeregu badań koncepcyjnych, porównawczych i doświadczalnych celem opracowania metodologii budowy i weryfikacji takich modeli. Badanie i analiza właściwości dynamicznych statku powietrznego są ważnymi elementami projektowania zarówno samego statku powietrznego jak i jego głównych systemów, w tym systemu automatycznego sterowania lotem. Wyniki badań umożliwiają ocenę osiągów oraz właściwości dynamicznych i pilotażowych. Często badania takie ukierunkowane są na ocenę inherentnych cech danego obiektu i mają na celu opracowanie nowej lub rozwój istniejącej konstrukcji. W trakcie moich prac, przeprowadziłem badania i analizy właściwości dynamicznych omawianych statków powietrznych pod kątem oceny możliwych do uzyskania właściwości pilotażowych, sterowalności oraz opracowania optymalnych metod sterowania [4, 5,11,12]. Wyniki analizy właściwości dynamicznych statku powietrznego umożliwiają określenie założeń oraz koncepcji metody sterowania, czyli strategii wykorzystania dostępnych efektorów sterowania w celu uzyskania najlepszego, z punktu widzenia przyjętych kryteriów, efektu sterowania. Proces ten jest złożony, gdyż często wymaga pogodzenia przeciwstawnych wymagań oraz uwzględnienia fizycznych ograniczeń zarówno systemu sterowania jak i statku powietrznego. Po opracowaniu metody sterowania opracowywany jest algorytm dla automatycznego systemu sterowania, który w możliwie optymalny sposób realizował będzie opracowaną metodę sterowania. Moje prace w tym zakresie dotyczyły opracowania metod i algorytmów sterowania dla badanych nieklasycznych konfiguracji statków powietrznych [6,7,8,9,11,12,14,15]. Przy czym opracowane metody i algorytmy miały zapewnić stateczność, dobre właściwości pilotażowe oraz umożliwić pełne wykorzystanie walorów użytkowych rozpatrywanych konstrukcji lotniczych. Badawcze symulatory lotu umożliwiają ocenę właściwości symulowanego statku powietrznego oraz jego systemów pokładowych jeszcze na etapie projektowania. Wyniki moich prac wykorzystane zostały do opracowania dwóch symulatorów badawczych, które przeznaczone są do badań oraz analiz metod i algorytmów sterowania samolotu bezzałogowego i quadrotora [13,14,Op1,Op2]. Symulatory te umożliwiają przeprowadzenie badań hardwarein-the-loop opracowywanych systemów pokładowych oraz badań interakcji operator-maszyna. 4.2.2. Omówienie osiągniętych wyników Po uzyskaniu stopnia doktora prowadziłem badania związane z rekonfiguracją systemu sterowania samolotu komunikacyjnego i bezzałogowego. Zakres tych prac obejmował budowę modelu dynamiki samolotu bezzałogowego na potrzeby analizy i syntezy rekonfiguracji - 8 -
systemu sterowania, badania wpływu awarii systemu sterowania na właściwości dynamiczne samolotów, poprawy efektywności metod i algorytmów rekonfiguracji systemu sterowania oraz interakcji systemu rekonfiguracji z systemami automatycznego sterowania lotem i operatorem. Prace te wykonywałem w trakcie realizacji dwóch projektów badawczych [P8] i [P2]. W trakcie tych prac opracowałem nieliniowy model dynamiki samolotu bezzałogowego z rozprzężonymi powierzchniami sterowymi [1,2]. W typowych modelach obciążenia aerodynamiczne od systemu sterowania modeluje się w taki sposób, że wyznaczane są wspólne pochodne sterowności dla powierzchni sterowych, które pracują parami. Dlatego najistotniejszym elementem w mojej pracy było wyznaczenie charakterystyk aerodynamicznych (pochodnych sterowności) dla rozprzężonego układu sterowania, czyli dla każdej powierzchni sterowej oddzielnie. Charakterystyki aerodynamiczne samolotu, w tym pochodne sterowności dla każdej powierzchni sterowej oszacowane zostały metodami analitycznymi (głównie statyczne charakterystyki aerodynamiczne i pochodne stateczności) oraz metodami numerycznymi (pochodne sterowności), w tym metodami CFD (ang. computational fluid dynamics) [1,2]. Następnie tak zbudowany model poddany został walidacji i weryfikacji przy wykorzystaniu wyników prób w locie. W opracowanym modelu uwzględniono model atmosfery turbulentnej oraz modele czujników pomiarowych. W wyniku uzyskano nieliniowy model symulacyjny samolotu bezzałogowego z rozprzężonymi powierzchniami sterowymi, który umożliwia badanie właściwości dynamicznych samolotu w stanach awarii systemu sterowania oraz opracowanie algorytmów sterowania i rekonfiguracji [2]. Wykonany model symulacyjny wykorzystany został również do budowy symulatora badawczego [Op1], przeznaczonego do badań systemów sterowania, w tym systemów rekonfiguracji, metodami hardware-in-the-loop oraz badań interakcji samolot-operator. Wykorzystując opracowany model samolotu bezzałogowego i posiadany wcześniej model samolotu komunikacyjnego przeprowadziłem analizy właściwości dynamicznych samolotów, efektywności systemu sterowania, możliwości rekonfiguracji oraz efektywność pracy systemów automatycznego sterowania lotem (autopilota) w sytuacji awarii powierzchni sterowych [3,4,5]. Uzyskane wyniki umożliwiły ocenę wpływ awarii powierzchni sterowych na właściwości dynamiczne samolotu, efektywność sterowania zarówno manualnego jak i automatycznego (z aktywnym autopilotem) oraz trajektorię lotu samolotu. Umożliwiły również analizę możliwości realizacji rekonfiguracji systemu sterowania oraz jej efektywności w zależności od rodzaju, liczby, kombinacji i intensywności awarii oraz liczby i rodzaju sprawnych powierzchni sterowych. Przeprowadzone analizy pokazały, że niezależnie od tego, czy samolot jest sterowany manualnie, czy automatycznie, w przypadku wystąpienia awarii systemu sterowania konieczne jest zastosowanie jego rekonfiguracji. Wnioski z przeprowadzonych badań umożliwiły sformułowanie założeń do dalszych prac nad rekonfiguracją systemu sterowania. W dalszej części prac zajmowałem się opracowaniem metod rekonfiguracji systemu sterowania. Prace te obejmowały zarówno dalszy rozwój własnej, opracowanej w trakcie doktoratu, metody rekonfiguracji, jak i poszukiwanie nowych rozwiązań umożliwiających zwiększenie efektywności rekonfiguracji. Opracowana przeze mnie metoda rekonfiguracji bazuje na kombinacji metod alokacji sterowania (ang. control allocation) i sterowania z modelem [6]. Metoda umożliwia wyznaczenie zadanych wychyleń sprawnych powierzchni sterowych na podstawie modelu obciążeń aerodynamicznych generowanych przez - 9 -
poszczególne powierzchnie sterowe oraz informacji o powstałej awarii. Kąty wychylenia sprawnych powierzchni sterowych wyznaczane są w taki sposób, aby wektory sił i momentów aerodynamicznych generowane przez sprawny i uszkodzony system sterowania były takie same tzn. miały takie same kierunki, zwroty i moduły [6]. Badania prowadzone po doktoracie wykazały, że opracowana metoda rekonfiguracji była co prawda skuteczna jednak zastosowane algorytmy nie zapewniały zadowalającej dynamiki sterowania. Wyniki badań wykazały, że jest to wynikiem ograniczonej redundancji i fizycznych ograniczeń systemu sterowania. Dlatego w trakcie dalszych prac zajmowałem się między innymi badaniem różnych rozwiązań algorytmu realizującego opracowaną metodę rekonfiguracji [7,8,9]. Opracowywane i badane przeze mnie algorytmy rekonfiguracji bazowały na procedurach optymalizacji, które różniły się sposobem definiowania funkcji celu i więzów, sposobem i zakresem wykorzystania efektorów sterowania oraz sposobem definiowania więzów wynikających z fizycznych ograniczeń systemu sterowania. Przeprowadziłem wiele badań symulacyjnych, których celem była ocena jakości opracowanych algorytmów rekonfiguracji, dla różnych konfiguracji zadanych sygnałów sterujących i różnych konfiguracji awarii. Badania obejmowały analizę efektywności algorytmów rekonfiguracji, w tym jakość uzyskanych wyników optymalizacji i szybkości obliczeniowej, oraz analizę sterowności samolotu po rekonfiguracji zarówno dla sterowania manualnego, jak i automatycznego [7,8,9]. Wyniki badań umożliwiły wskazanie w jakich stanach awaryjnych rekonfiguracja systemu sterowania jest konieczna, jakie są jej zalety oraz które czynniki i w jaki stopniu wpływają na jej efektywność. Ostatnim etapem prac jakie realizowałem w tym temacie była analiza możliwości poprawy efektywności sterowania uszkodzonym samolotem po rekonfiguracji systemu sterowania. Przeprowadzone wcześniej badania pokazały, że jednym z czynników, który ma wpływ na efektywność rekonfiguracji jest redundancja systemu sterowania. Jednym z zaproponowanych przeze mnie rozwiązań było wyrównoważenie uszkodzonego samolotu w nietypowym punkcie równowagi dla niezerowych kątów przechylenia i ślizgu, co powinno skutkować uzyskaniem większego zakresu wychyleń sprawnych powierzchni sterowych [5]. Drugim zaproponowanym przeze mnie rozwiązaniem było użycie oprócz sprawnych powierzchni sterowych również dodatkowego efektora w postaci zespołu napędowego. Opracowana przeze mnie metoda pulsacyjnego sterowania zespołem napędowym umożliwia sterowanie pochyleniem jednosilnikowego samolotu bezzałogowego [10]. Działanie metody polega na wymuszeniu pulsacji ciągu zespołu napędowego o zmiennej amplitudzie i stałej częstotliwości. Sterowanie pochyleniem samolotu odbywa się przez modulację amplitudy i fazy pulsacyjnego sygnału sterowania obrotami silnika. Efektywność sterowania pochyleniem przy wykorzystaniu tej metody nie jest tak wysoka jak w przypadku metody klasycznej, ale może być nieoceniona w przypadku awarii systemu sterowania [10]. Zwieńczeniem moich prac nad rekonfiguracją systemu sterowania było wykonanie Symulatora badawczego małego samolotu bezzałogowego [Op1], w którym zaimplementowano opracowany przeze mnie model samolotu bezzałogowego z rozprzężonymi powierzchniami sterowymi oraz algorytm rekonfiguracji. Symulator był i nadal może być wykorzystywany do badań algorytmów automatycznego sterowania w tym algorytmów rekonfiguracji techniką hardware-in-the-loop, badań interakcji systemu sterowania z operatorem oraz szkolenia operatorów. - 10 -
Badania dotyczące dynamiki i sterowaniem samolotu typu latające skrzydło prowadziłem w trakcie projektu [P7]. Dotyczyły one budowy modelu matematycznego i symulacyjnego, analizy właściwości dynamicznych oraz opracowania metody sterowania i systemu automatycznego sterowania lotem dla samolotu pasażerskiego o konfiguracji latającego skrzydła. W trakcie prac opracowałem model matematyczny i symulacyjny dla przyjętej konfiguracji samolotu, dla którego charakterystyki aerodynamiczne zostały oszacowane przez partnerów zagranicznych [11]. Następnie przeprowadziłem badania symulacyjne stateczności samolotu, w tym wpływu położenia środka ciężkości na warunki równowagi oraz parametry dynamiczne samolotu [11,12]. Przeprowadziłem również badania dotyczące koncepcji sterowania takim samolotem. W ramach tych prac analizowałem możliwość wykorzystania dwóch różnych strategii sterowania samolotem [11]. Pierwsza z nich bazowała na klasycznym podejściu do zagadnienia sterowania, gdzie poszczególnym powierzchniom sterowym przypisano konkretne funkcje, tak jak ma to miejsce w klasycznych konfiguracjach płatowców. W drugiej metodzie powierzchniom sterowym nie przypisano żadnych funkcji, a ich użycie było optymalizowane pod kątem efektywności sterowania. W metodzie tej wykorzystany został zmodyfikowany algorytm, który opracowałem do rekonfiguracji systemu sterowania, opisany wcześniej. Wyniki przeprowadzonych analiz zarówno właściwości dynamicznych, jak i sterowalności samolotu pozwoliły sformułować założenia dla systemu automatycznego sterowania lotem. W trakcie dalszych prac analizowałem możliwość wykorzystania różnych algorytmów sterowania, w tym algorytmów pośredniego sterowania Fly-by-Wire, do zapewnienia stateczności badanej konstrukcji latającego skrzydła [12]. Przeprowadzone przeze mnie prace badawcze umożliwiły ocenę właściwości dynamicznych, w tym wpływ zmiany położenia środka ciężkości na parametry dynamiczne samolotu. Umożliwiły również ocenę sterowności opracowywanej konstrukcji oraz różnych metod sterowania i automatycznej stabilizacji. W trakcie realizacji projektu [P4] brałem udział w pracach, których celem było opracowanie prototypu małego bezpilotowego quadrotora przeznaczonego do zadań rozpoznawczych w terenie zurbanizowanym lub trudnodostępnym. W ramach tych prac opracowałem uproszczony model obciążeń aerodynamicznych wirnika nośnego quadrotora [13], który ze względu na prostą konstrukcję bazował na zlinearyzowanych równaniach obciążeń aerodynamicznych wyznaczonych metodą elementu łopaty (ang. blade element method). Model ten wykorzystałem do opracowania struktury, algorytmów i modelu symulacyjnego systemu automatycznego sterowania lotem quadrotora, który umożliwia zarówno wspomaganie operatora w trybie sterowania manualnego jak również całkowicie autonomiczne wykonanie lotu po zadanej trajektorii [14]. W kolejnym etapie prac zajmowałem się rozwojem opracowanych algorytmów dla systemu automatycznego sterowania quadrotora, ze szczególnym uwzględnieniem możliwości wykonywania lotu wewnątrz zamkniętych pomieszczeń. Quadrotor ze względu na swoją budowę jest bardzo czuły na zaburzenia atmosferyczne, które wewnątrz budynków mogą być wywołane przeciągiem lub wygenerowane przez sam wiropłat. Ponadto wewnątrz pomieszczeń mogą występować przeszkody ograniczające manewrowanie. To wszystko sprawia, że system automatycznego sterowania musi być odporny na zaburzenia oraz umożliwiać precyzyjne sterowanie podczas omijania przeszkód. Dlatego podjąłem prace związane z rozwojem opracowanego systemu automatycznego sterowania, które polegały na poprawie algorytmów - 11 -
sterowania wysokością i kursem, w fazie rozpędzania i hamowania [15]. Rozwiązanie to zapewnia bardziej precyzyjne sterowanie quadrotorem, co umożliwia lot wewnątrz ciasnych pomieszczeń. Opracowany przeze mnie model symulacyjny system automatycznego sterowania został zaimplementowany do Symulatora małego bezpilotowego wiropłata [Op2], który może być wykorzystany do badania algorytmów automatycznego sterowania quadrotora oraz szkolenia operatorów. 4.2.3. Podsumowanie wkładu w rozwój dyscypliny Prowadzone przeze mnie prace naukowo-badawcze miały charakter interdyscyplinarny i dotyczyły modelowania dynamiki, analizy właściwości dynamicznych, analizy metod sterowania oraz opracowania algorytmów automatycznego sterowania obiektów latających w których występują nieklasyczne konfiguracje systemów sterowania. W trakcie moich prac zajmowałem się różnymi kategoriami obiektów latających takich jak samolot o konfiguracji latającego skrzydła, wiropłat czterowirnikowy oraz samolot z rekonfigurowanym systemem sterowania. Podejmowałem badania dotyczące zagadnień, które były i są przedmiotem badań prowadzonych w wielu ośrodkach badawczych na całym świecie. W mojej pracy skupiłem się na zagadnieniach, które nie były przedmiotem badań lub nie zostały do końca zbadane lub szeroko rozpowszechnione w czasie, kiedy rozpoczynałem swoje badania. Za swoje najważniejsze osiągnięcia uważam: opracowanie pełnych matematycznych i symulacyjnych modeli dynamiki samolotu w konfiguracji latającego skrzydła oraz samolotu bezzałogowego z rozprzężonymi powierzchniami sterowymi. Pierwszy z modeli w tak rozbudowanej formie należy do rzadkości, z kolei drugi jest unikalny i dotąd niespotykany w literaturze. Opracowane modele mogą być wykorzystane do oceny charakterystyk użytkowych obiektów, w tym możliwości optymalnego nimi sterowania. Ponadto modele stanowią dobre narzędzia do prototypownia zarówno samych obiektów latających jak i ich systemów automatycznego sterowania oraz szkolenia załóg i operatorów w symulatorach; przeprowadzenie analiz wykorzystania niekonwencjonalnych systemów sterowania samolotu w układzie latającego skrzydła oraz opracowanie metod i algorytmów automatycznego sterowania lotem dla samolotu w układzie latającego skrzydła i quadrotora. Wyniki przeprowadzonych analiz oraz testów symulacyjnych wykazały potencjał opracowanych metod i algorytmów sterowania. Mogą one zostać wykorzystane do dalszych prac rozwojowych lub przyczynić się do wyznaczenia nowych trendów w rozwoju tego typu systemów; analiza oraz opracowanie metod i algorytmów rekonfiguracji systemu sterowania samolotu, w tym wykorzystanie metody pulsacyjnej zmiany siły ciągu zespołu napędowego do sterowania pochyleniem samolotu. Opracowane metody rekonfiguracji są unikalne pod względem realizacji, zwłaszcza jeżeli chodzi o wykorzystanie pulsacyjnej zmiany ciągu zespołu napędowego. Mogą one być wykorzystane jako algorytm rekonfiguracji systemu sterowania oraz jako narzędzia do analizy rekonfigurowalności systemu sterowania samolotów już istniejących oraz będących w fazie projektowania; - 12 -
udział w opracowaniu symulatorów badawczych quadrotora i samolotu bezzałogowego z rozprzężonymi powierzchniami sterowymi, które stanowią unikalne zaplecze techniczne do testów algorytmów automatycznego sterowania, rekonfiguracji systemu sterowania, interakcji operator-maszyna oraz badań systemów sterowania i nawigacji techniką hardware-in-the-loop. Przeprowadzone przeze mnie badania nie wyczerpują zagadnień, którymi się zajmowałem. Uważam natomiast, że stanowią istotny wkład w rozwój dziedziny jaką jest budowa i eksploatacja statków powietrznych oraz stanowią punkt wyjścia do podjęcia dalszych badań w tej dziedzinie. W ramach dalszej działalności planuję kontynuować badania w zakresie dynamiki i sterowania obiektów ruchomych w celu doskonalenia opracowanych metod i algorytmów sterowania oraz poszukiwaniu nowych rozwiązań. 5. Omówienie pozostałych osiągnięć naukowo-badawczych Po uzyskaniu stopnia doktora w swojej pracy naukowo-badawczej zajmowałem się zagadnieniami obejmującymi obszar dynamiki, sterowania i nawigacji obiektów ruchomych. Część tych zagadnień stanowi dorobek przedstawiony do oceny w przewodzie habilitacyjnym i zostały opisane w poprzednim rozdziale. Poza nimi prowadziłem również badania związane z nawigacją obiektów bezzałogowych oraz dynamiką i sterowaniem samolotów, śmigłowców oraz amunicji kierowanej w tym pocisków moździerzowych, bomb wirujących i rakiet. System nawigacji jest jednym z kluczowych elementów zapewniających autonomię wszystkim rodzajom obiektów bezzałogowych. Rozwój tych systemów jest ważny ze względu na wzrost wymagań dotyczących jakości informacji nawigacyjnej oraz minimalizacji wymiarów, masy i kosztów. Jednym z kierunków badań jest poszukiwanie nowych algorytmów estymacji informacji nawigacyjnej, w tym integracji systemów nawigacji. Integracja polega na łączeniu danych pomiarowych pochodzących z różnych źródeł w celu między innymi estymacji bardziej wiarygodnej informacji nawigacyjnej, zapewnienia wyższej niezawodność systemu oraz wyższej częstotliwość aktualizacji danych. Badania dotyczące nawigacji realizowałem w ramach projektów [P2] i [P5] i dotyczyły one zagadnień związanych z poprawą wiarygodności i niezawodności informacji nawigacyjnej dla bezzałogowych pojazdów kołowych oraz samolotów. W trakcie badań zajmowałem się między innymi: analizą różnych rozwiązań oraz opracowaniem algorytmów integracji systemów nawigacyjnych przy wykorzystaniu filtracji Kalmana, gdzie w wyniku tych prac powstał algorytm integracji systemu nawigacji bezwładnościowej i sytemu GPS dla samolotu bezzałogowego [PA3]; badaniami nad nowymi metodami wykorzystania techniki odometrycznej do nawigacji pojazdów kołowych, w tym opracowaniem algorytmów estymacji informacji nawigacyjnych dla pojazdów wielokołowych, z uwzględnieniem estymacji zmian ukształtowania terenu oraz rodzaju nawierzchni, po której porusza się pojazd; opracowaniem metod estymacji błędu dewiacji busoli magnetycznej i jego korekcji w czasie rzeczywistym dla bezzałogowych pojazdów kołowych [PA6]. Badania w zakresie dynamiki i sterowania obiektów latających prowadziłem w ramach prac statutowych realizowanych w Instytucie Techniki Lotniczej i Mechaniki Stosowanej na - 13 -
Wydziel Mechanicznym Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej, działalności w Uczelnianym Centrum Badawczym Obronności i Bezpieczeństwa Politechniki Warszawskiej oraz przy realizacji projektów [P1], [P3] i [P6]. Prowadzone przeze mnie prace dotyczyły między innymi: opracowania modeli dynamiki kierowanych pocisków rakietowych oraz wirujących bomb i pocisków moździerzowych [PA2, PA7], w tym prac związanych z analizą możliwości użycia i efektywności gazodynamicznych systemów sterowania dla tego typu obiektów latających [PA8]; uczestniczyłem również w pracach nad studium wykonalności zestawu rakietowego krótkiego zasięgu w Polsce, zleconego przez Polski Holding Obronny; opracowania modelu dynamiki średniego samolotu pasażerskiego na potrzeby analizy i syntezy systemów nadzoru i bezpieczeństwa samolotu komunikacyjnego [PA1]; identyfikacji dynamiki i opracowania algorytmów stabilizacji dla bezzałogowego wiropłata o konfiguracji klasycznej [PA4, PA5]. W trakcie swojej działalności naukowo-badawczej po uzyskaniu stopnia doktora brałem udział w realizacji trzynastu projektów badawczych w tym pięciu projektów międzynarodowych. W dwóch projektach pełniłem funkcje kierownika zespołu w Politechnice Warszawskiej. Jestem autorem i współautorem czterdziestu sześciu publikacji naukowych, z czego dwudziestu siedmiu po doktoracie, w tym trzech rozdziałów w monografiach i ośmiu publikacji notowanych w Web of Science (szczegółowe dane zawarto w załączniku nr 4 do wniosku habilitacyjnego). Wykaz wybranych publikacji ujętych w rozdziale nr 5 PA1. Narkiewicz J., Żugaj M., Kopyt A., Topczewski S.: Aircraft Status Supervision System Concept, Journal of Aerospace Engineering, Vol 30, No 5, September 2017, str. 1-9, American Society of Civil Engineers, Reston. https://doi.org/10.1061/ (ASCE)AS.1943-5525.0000772. ISSN 0893-1321. IF za rok 2016 1.107, punktacja MNiSW za rok 2016 (lista A) 25, udział 10%. PA2. Głębocki R., Żugaj M.: Model of Gasodynamic Control System for Guided Bombs, Journal of Theoretical and Applied Mechanics, Vol 48, No 1, str. 27-44, Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej, Warszawa 2010. ISSN 1429-2955. IF 0.264, punktacja MNiSW (listaa) 9, udział 50%. PA3. Topczewski S., Żugaj M., Narkiewicz J., Pawełek A.: Integrated Attitude and Navigation System for Small Airplane, Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol 24, No 1, str. 339-348, Warszawa 2017. ISSN 1231-4005. Punktacja MNiSW za rok 2016 (lista B) 14, udział 15%. PA4. Bibik P., Kopyt A., Żugaj M.: Flightlab i Simulink - wykorzystanie nowoczesnych narzędzi symulacyjnych do modelowania i badania układów sterowania wiropłatów, Prace Instytutu Lotnictwa, nr 219, str. 5-12, Wydawnictwa Naukowe Instytutu Lotnictwa, Warszawa 2011. ISSN 0509-6669. Udział 33%. PA5. Bibik P., Narkiewicz J., Ulinowicz M., Żugaj M.: Analiza metod identyfikacji symulacyjnych modeli wiropłatów, Prace Instytutu Lotnictwa, nr 219, str. 13-24, - 14 -